Erdung und Potentialausgleich von Tankschiffen
ELEKTRISCHE AUSGLEICHSSTRÖME ZWISCHEN SCHIFF UND ANLEGESTELLE
SICHER ABLEITEN UND ÜBERWACHEN
Inhaltsverzeichnis:
- Was sind die Gefahren elektrischer Ausgleichsströme zwischen Schiff und Anlegestelle?
- Wie hilft die Schiffserdung, diese Gefahren zu verhindern?
- Was ist der Unterschied zwischen Schiffserdung und elektrostatischer Erdung?
- Welche Vorgaben muss die Schiffserdungsverbindung erfüllen?
- Wie sieht die Best-Practice für die Erdung von Tankschiffen aus?
In diesem Artikel erfahren Sie, wie elektrische Ausgleichsströme zwischen Schiff und Anlegestelle entstehen.
Wir erläutern den Unterschied zwischen Erdung im elektrostatischen Sinne und Schiffserdung, erklären wie eine sichere Schiffserdung realisiert werden kann und wie sie das Konzept der Isolierung zwischen Schiff und Anlegestelle sinnvoll ergänzt.
Abschließend zeigen wir die Best-Practice der Schiffserdung in Form des Schiffserdungssystems SEK-3.
Weiterführende Informationen wie mit der Schiffserdung eine zusätzliche Sicherheitsbarriere während der Befüll- und Entleervorgänge von Tankschiffen errichtet werden kann finden Sie in unserem rechtsstehenden Whitepaper (EN).
Was sind die Gefahren elektrischer Ausgleichsströme zwischen Schiff und Anlegestelle?
Die Gefahr von Ausgleichsströmen zwischen Schiffen und Anlegestellen entsteht durch elektrochemische Prozesse. Das Schiff, die Metallkonstruktion des Ladehafens und das Wasser als elektrolytische Verbindung zwischen diesen beiden bilden eine galvanische Zelle:
Galvanische Zelle
Galvanischen Zelle aus der Anordnung Schiff – Wasser – Anlegestelle
Das Schiff und die Anlegestelle können jeweils als Elektroden der galvanischen Zelle angesehen werden.
Zwischen den Elektroden einer solchen Zelle existiert eine elektrische Potentialdifferenz von bis zu 1 Volt. Jede leitfähige Verbindung zwischen den beiden Elektroden führt zu einem undefinierten elektrischen Strom. Dieser kann bis zu mehreren Ampere betragen. Eine gefährliche Folge dieses Stromflusses ist die unkontrollierte Funkenbildung. Funken treten insbesondere dann auf, wenn die elektrischen Verbindungen geöffnet werden, z.B. an den Anschlussstellen von Verladearmen oder Verladeschläuchen für Flüssigkeiten oder Gase, aber auch an Gangways, Trossen oder anderen Verbindungen.
In explosionsgefährdeten Bereichen können diese Funken eine wirksame Zündquelle darstellen und brennbare Flüssigkeiten oder Gase entzünden.
Wie hilft die Schiffserdung, diese Gefahren zu verhindern?
Bei der Be- und Entladung von Tankschiffen kann eine explosionsfähige Atmosphäre an der Anlegestelle entstehen. Daher sind solche Anlegestellen als explosionsgefährdete Bereiche auszuweisen.
Um eine Zündung der explosionsfähigen Atmosphäre zu verhindern, müssen Maßnahmen des Brand- und Explosionsschutzes getroffen werden. Das heißt, alle potentiell wirksamen Zündquellen müssen ausgeschlossen werden.
Um der Gefahr von Ausgleichsströmen entgegenzuwirken, schreiben verschiedene Sicherheitsleitfäden für die Tankschifffahrt und Tankterminals vor, dass Tankschiffe durch Isoliermittel elektrisch von den Anlegestellen und Verladehäfen getrennt werden sollten.
Typischerweise werden hierfür Isolierflansche an den Kontaktpunkten (u.a. Befüllschläuche) zwischen Schiff und Land verwendet.
Trotz entsprechender Isoliermittel bleibt die Gefahr zufällig oder fehlerverursachter, leitfähiger Verbindungen und daraus resultierender Stromflüsse bestehen. Beispiele sind leitfähige Verladeschläuche die den Schiffrumpf oder die Anlegerkonstruktion nach der Isolierstelle berühren, Gangways, Trossen, sowie auch defekte oder überbrückte Isolierstellen.
Ex-Zonen Zeichen
Kennzeichnung explosionsgefährdeter Bereiche
Vor diesem Hintergrund ist die Isolierung zwischen Schiff und Verladeterminal als einzige Sicherheitsmaßnahme nicht ausreichend.
Es wird empfohlen, ergänzend eine kontrollierte, hoch leitfähige Potentialausgleichsverbindung einzusetzen. Diese schließt die galvanische Zelle kurz, reduziert die Potentialdifferenz und leitet einen Teil der zündfähigen Energie sicher über die Ausgleichsverbindung. Die beschriebene Potentialausgleichsverbindung wird in der Praxis als Schiffserdung bezeichnet. Die Schiffserdung stellt eine wirksame risikoreduzierende Maßnahme auf Verladeterminals dar und ergänzt die Flanschisolierung der Verladearme und Verladeschläuche als eine zusätzliche Explosionsschutzmaßnahme.
Was ist der Unterschied zwischen Schiffserdung und elektrostatischer Erdung?
Elektrostatische Erdung wird überall dort angewendet, wo elektrostatische Aufladungen zu gefährlichen Funken führen können.
Dies ist auch bei der Verladung brennbarer Flüssigkeiten und Gase auf Tankschiffen der Fall. Daher müssen auch hier Maßnahmen zum Schutz vor elektrostatischer Aufladung getroffen werden: Alle leitfähigen Medien, Einrichtungen und Gegenstände sind zu erden und alle ableitfähigen mit Erde zu verbinden. Landseits betrifft dies die Rohre, Anlagenteile etc. und wird über die Erdung / Tiefenerder der Anlegestelle realisiert. Auf dem Schiff sind ebenfalls alle leitfähigen Ausrüstungen mit dem Schiffsrumpf zu verbinden. Elektrostatische Aufladungen werden dann über das Wasser abgeleitet.
Bei elektrostatischen Aufladungen ergeben sich sehr hohe Spannungen, im Bereich mehrere Kilovolt, bei gleichzeitig relativ niedrigen Stromstärken.
Sie können über einen relativ hohen Ableitwiderstand (bis zu 106 Ω) sicher abgeleitet werden. Beim galvanischen Effekt hingegen sind elektrostatische Ableitverbindungen nicht wirksam. Im Gegenteil, aufgrund ihrer Auslegung für sehr geringe Ströme und möglicher Funken an den Anschlussstellen können solche elektrostatischen Verbindungen selbst zur Zündquelle werden. Daher dürfen Erdungsgeräte für Straßentankwagen oder Eisenbahnkesselwagen nicht zur Erdung von Schiffen eingesetzt werden.
Welche Vorgaben muss die Schiffserdungsverbindung erfüllen?
Herkömmliche Erdungstestgeräte zur Ableitung elektrostatischer Aufladungen, aber auch sogenannte einfache Potentialausgleichsleitungen in Form unüberwachter Erdungs-/Verbindungskabel, mit oder ohne Ex-Schalter, sind nicht für die sichere Erdung von Schiffen geeignet.
Damit eine Schiffserdung sicher funktioniert, muss sie die folgenden Eigenschaften und Funktionen bieten:
- ATEX Zulassung für Zone 1
- Extrem niederohmige Potentialausgleichsverbindung
- Belastbarkeit der Ausgleichsverbindung und inneren Schaltungen mit mehreren Ampere unter Aufrechterhaltung des Explosionsschutzes
- Die Ausgleichsverbindung muss beim Anbringen der Erdungszange am Schiffe geöffnet sein
- Die Ausgleichsverbindung muss sich beim Lösen der Erdungszange am Schiff automatisch öffnen, so dass keine Abreißfunken im explosionsgefährdeten Bereich entstehen können
- Die elektrische Belastung der Ausgleichsverbindung muss überwacht werden
- Wenn die Ausgleichsverbindung überlastet wird, z.B. durch aktive Quellen, muss sie sicher geöffnet werden
- Es sollten Steuersignale vorliegen, um Gefahrensituationen in der Leitwarte anzuzeigen
Wie sieht die Best-Practice für die Erdung von Tankschiffen aus?
Um die speziellen Anforderungen eines sicheren Potentialausgleichs bei Schiffen zu erfüllen, wurde das explosionsgeschützte Schiffserdungssystem SEK-3 entwickelt. Es dient der kontrollierten und sicheren Herstellung und Überwachung des Potentialausgleichs zwischen Tankschiffen und landseitigen Anlegereinrichtungen während der Verladung von flüssigen und brennbaren Produkten, deren Dämpfe eine explosive Atmosphäre bilden können.
Schiffserdungssystem SEK-3
Das Schiffserdungssystem wird auf dem Schiffsanleger fest installiert.
Es besitzt ein bis zu 30 m langes Spezialkabel und eine spezielle Schiffserdungszange. Die Schiffserdungszange wird, nachdem das Schiff angelegt hat und bevor die Verladeausrüstung befestigt wird, an einer geeigneten Stelle am Schiffsrumpf angeklemmt. Der Potentialunterschied zwischen Schiff und Anlegehafen wird durch die überwachte Verbindung reduziert und ein Teil der Energie sicher über das Schiffserdungsgerät abgeleitet. Solange die Bedingungen eine sichere Verladung gewährleisten, zeigen die Signal LEDs des Schiffserdungssystems den Status „grün“ und die Steuerausgänge schalten auf „Freigabe“.
Im Falle eines Kontaktverlustes der Schiffserdungszange oder bei Veränderung der elektrischen Bedingungen zwischen Schiff und Land außerhalb der Sicherheitsspezifikationen unterbricht das SEK-3 die Verbindung sofort und jegliche verbliebende Potential- und Spannungsdifferenz am Schiffskabel wird sicher innerhalb des Schiffserdungssystems ausgeglichen und von dem Verbindungspunkt am Schiff ferngehalten. Solange die Bedingungen keine sichere Verladung gewährleisten, zeigen die Signal-LEDs des Schiffserdungssystems den Status „rot“.
Vor und während der Kontaktierung der Erdungszange bleibt die Verbindung zum landseitigen Potentialausgleichsanschluss innerhalb des Steuergerätes zunächst unterbrochen.
So ist sichergestellt, dass die elektrisch leitende Verbindung zwischen Schiff und Land erst bei mechanisch und elektrisch geprüfter Kontaktierung freigegeben wird. Die Objektspannungsüberwachung sowie weitere Überwachungsfunktionen signalisieren im Störungs- bzw. Gefährdungsfall den fehlerhaften Zustand durch eindeutige Statusanzeige „rot blinkend“ und aktivieren zusätzlich ein externes Alarmsignal.
Durch den Einsatz eines Schiffserdungssystems wird die Sicherheit auf den Schiffsverladeanlagen erhöht und der Explosionsgefahr durch galvanische Ausgleichsströme entgegengewirkt.
Sie sind sich unsicher, ob in Ihrem Anwendungsfall eine Schiffserdung notwendig ist?
Oder Sie wollen Genaueres über die Best-Practice erfahren? Sprechen Sie gerne unser Expertenteam an.